CN1025134C

CN1025134C - 锰铜压阻应力仪

Info

Publication number: CN1025134C
Application number: CN 92100570
Authority: CN
Inventors: 黄正平; 刘长林; 赵文军; 张汉萍
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 1992-02-25
Filing date: 1992-02-25
Publication date: 1994-06-22
Anticipated expiration: 2007-02-25
Also published as: CN1063357A

Abstract

本发明属压力测量仪领域。本发明是50Ω锰铜压阻传感器的配套仪器，它包含有桥臂电阻为50Ω的电桥测量电路、运算放大电路，还有充电电池组供电电路、充电电路、电桥平衡调节电路、电桥平衡指示电路、增益调整电路和自检电路。为了与50Ω同轴电缆匹配，本发明采用阻值为50Ω的锰铜压阻传感器；本发明中采用了高速运算放大器芯片，其响应时间可小于1微秒；本发明的增益可调整，从10～1000，所以测量压力(或压应力)的量程宽，从10MPa至1GPa。因此，本发明可广泛应用于石油、化工、汽车、矿业、兵器与航空航天等领域测量1MPa～1GPa间的动态压力(或压应力)。由于本发明采用充电电池组供电，因而使工频干扰降至最小；还因本发明的电路较简，元件较少，提高了仪器的可靠性、降低了成本，也便于在野外使用。

Description

本发明属于流体压力测量仪领域（G01L）

本发明是50Ω锰铜压阻传感器的配套仪器。它将压力（或压应力）作用下锰铜压阻传感器的电阻变化信号转变成电压形式的压力模拟信号，供后续仪器采集与存储，故本发明又可称为“锰铜压阻变送器”。

有关压力变送器的产品及资料很多（见1990年电子工业出版社出版的（传感器及敏感元器件大全）），如半导体压力变送器（北京航空航天大学），扩散硅应变式压差和压力变送器（日本Honeywell公司），应变式压力变送器（杭州自动化仪器厂、航空航天部701所等），电感式压力变送器和电容式压力变送器（上海自动化仪表四厂与西安仪表厂等），尽管这类压力变送器所用的传感器工作原理不同，有的利用应变一电阻效应，有的利用半导体压阻效应，但它们都是由电桥测量电路（包含外接传感器）和运算放大电路等组成，仅为了适应不同的传感器性能和测量量程，在结构上略有差异，一般这类压力变送器频带较窄，不考虑与传输线之间的阻抗匹配（它们的桥臂电阻为120Ω或240Ω），因此不宜用于高速压力脉冲信号的测量。

本发明的主要目的是要采用50Ω锰铜压阻传感器及其配套仪器测量从1MPa到1GPa之间的高速压力（或压应力）脉冲信号。

为实现上述目的，本发明的技术实施方案如下：

如附图1所示，本发明主要由桥臂电阻值为50Ω的直流电桥测量电路（其中包括一个外接的锰铜压阻传感器1及另外三个桥臂组成的测量电路2），和运算放大器电路3等组成。此外还有电池组供电与充电电路7～14、平衡调节电路4、自检电路5和增益调整电路6和平衡指示电路15。

50Ω锰铜压阻传感器1具有压阻效应，能够将被测压力转变为该传感器1的电阻变化。此电阻变化通过电桥测量电路（1与2组成）转换成电压形式压力模拟信号，电桥测量电路中四个桥臂都采用50Ω（其中一个为外接的传感器，另外三个桥臂在此仪器中），因此保证了传感器与50Ω同轴电缆之间的良好匹配，使高速脉冲压力模拟信号的传输不发生严重畸变。该压力模拟信号经运算放大电路3放大后，又可以传送到后续仪器采集、存储与处理。50Ω锰铜压阻传感器1可以外接不同结构形式的50Ω锰铜压阻计，如埋入被测介质中并测其中压应力的片状锰铜压阻计（一次性使用），也可以连续测量壁面附近流体压力的柱塞式锰铜压阻传感器（可多次重复使用），后者是本发明同时申请的另一项发明。本发明设置了两个电池组供电电路7～10和充电电路11-14，其中7-10是第一电池组供电和充电电路，11-14为第二电池组供电和充电电路。电池组8经开关7向电桥测量电路供电，充电电路10可以经开关9向电池组8充电;电池组12经开关11向运算放大电路供电，充电电路14可以经开关13向电池组12充电。在充电电路中采用耐高压电容器限流，满足充电电池正常充电要求;充电指示电路是串接在充电回路中。本发明采用由串联的稳压二极管和发光二极管组成的电平指示电路，接在充电电池组两端，指示充电电池组的电压是否偏高或偏低。

平衡调节电路可调节桥臂电阻值50Ω的电桥测量电路（1与2）中的一个桥臂电阻值，使得传感器1在不承受压力作用时，电桥（1与2）的输出电压接近零。

为排除传感器阻值变化对系统灵敏度的影响，也为了适应不同压力范围的测量，本发明设置了“系统灵敏度”的自检电路。

自检电路用来模拟有压力作用于传感器1时传感器产生的电阻值变化，这一方面是为了检查本仪器是否工作正常，另一方面是为了正确测量系统灵敏度，此功能是通过在传感器PRG两端并接一个较大阻值的已知电阻来实现的，当PRG再并接一已知电阻后，其电阻值的变化量△R也是已知的，则电桥测量电路2的输出经放大电路3放大后的电压增量△V也应是可测的，如果自检时测到的△V等于或接近预告值，则证明本仪器工作正常。根据实测的△V与△R可算出△V/△R，此比值即为本仪器的系统灵敏度。

增益调整电路是用来改变本仪器运算放大电路3的增益，以适应不同压力量程的测量。在这一电路中可以通过调整运算放大电路3的输入电阻值或反馈电阻值来实现增益调整。

平衡指示电路15用于指示电桥（1和2）是否平衡，用一只电桥平衡表串接一个电阻来实现，当电桥平衡时，该表指针指向平衡位置。

本发明的附图说明如下：

图1锰铜压阻应力仪原理框图

图2锰铜压阻应力仪电路原理图

图3双通道锰铜压阻应力仪外观示意图

图4前面板衬板上元件布置示意图

图5锰铜压阻应力仪印刷电路板上元器件布置示意图

图6锰铜压阻应力仪典型输出波形

下面结合实施例和附图对本发明的技术实施方案作详细说明

实施例1

本实施例采用附图2所示的电路，其Ⅰ区和Ⅳ区为充电电路，Ⅱ区为电池供电与电桥测量电路，Ⅲ区为电池供电与运算放大电路。

C₁与C₆为限流电容，以保证充电电池组充电时充电电流小于额定值。R₁与R₁₉分别为C₁与C₆的旁路电路，以减小限流电容C₁与C₆的工作电压。D₁与D₄为整流桥，电路中接入稳压二极管D₃与D₁₃是为了防止充电电路空载时电压过高，烧坏充电指示电路。充电指示电路由R₂、R₃与D₂以及R₁₈、R₁₇与D₁₂组成。E₁、E₂与E₃充电时，在R₂及R₁₈可获足够高的电压，使发光二极管D₂及D₁₂发光，R₃及R₁₇分别为D₂及D₁₂的限流电阻，当E₁、E₂与E₃充电电压值达到要求时，则稳压管D₄、D₈分别充分导通，发光二极管D₅与D₉发光，表示电池已充满电。开关K₂与K₇分别控制电池E₁、E₂与E₃接入工作电路还是接入充电电路。集成稳压电路块G与电解电容C₂、C₃组成5V稳压电路，C₂与C₃起滤波作用。稳压二极管D₆与发光二极管D₇以及稳压二极管D₈与发光二极管D₉分别为电桥测量电路和运算放大电路的电源指示电路，当E₁，E₂与E₃电源电压足够时，此电源指示电路的发光二极管D₇、D₉发光。电阻R₆、R₈、R₁₀与外接的锰铜压阻传感器PRG为电桥的四个桥臂电阻，它们的阻值约为50Ω。桥臂电阻R₆要稍大些，是为了与电阻R₅与电位器R₄串接后并接在R₆上，调节R₄的阻值使电桥平衡。开关K₃与K₄为自检开关，当K₃或K₄接通或断开时，传感器PRG两端将并联一个较大阻值的电阻（2KΩ或20KΩ），或脱开一个并接电阻，从而使PRG获得一个微小的电阻增量△R;相应地运算放大器Amp的输出端OUT获得一个电压增量△V，如△V等于预告值，则证明此仪器工作正常。电阻R₁₃是运算放大器Amp的输入电阻，放大器输入R₁₃不并接电阻时，可得到基本的增益。开关K₅与K₆用来控制放大器Amp的增益，电阻R₁₁与R₁₂是控制放大器Amp增益的电阻，它可通过开关K₅或K₆并联到输入电阻R₁₃上，使放大器Amp输入阻抗发生变化，从而实现对放大器Amp增益的控制。电解电容C₄与C₅是放大器Amp的退耦电容。电位器R₁₄用来调整放大器Amp输出OUT的零点。电阻值R₁₅是控制放大器Amp增益的反馈电阻。电阻R₁₆是放大器Amp的负载电阻。

本实施例的工作过程如下：

1.用50Ω同轴电缆把柱塞式50Ω锰铜压阻传感器与锰铜压阻应力仪的输入端连接起来;

2.将运算放大器电源开关K₇置工作位置，若工作正常，则电桥平衡指示表表针应停留在初始位置;

3.闭合电桥电源开关K₂至工作位置，然后调节多圈电位器R₄，使电桥平衡指示表表针复位（回到初始平衡位置）;

4.选择增益：当上下拨动开关K₅与K₆都处于OFF位置，则放大器增益为10;当左边开关K₅（如图3所示）处在ON位置时，则放大器增益接近100;当两个开关K₅、K₆都处在ON位置时，则放大器增益接近1000。放大器增益是根据被测信号大小来选择的，测量较高压力时选小增益，测量较低压力时选大增益;

5.自检开关的选择：高增益时使左边拨动开关K₃闭合或断开;当选择低增益时使右边拨动开关K₄闭合或断开;

6.自检试验：只要拨动自检开关K₃与K₄工作一次，则接在本实施例后的后续仪器（数字存储示波器）上获得一个电压增量△Vc;自检开关的作用是在传感器上并联一个精确的已知电阻R₉或R₁₀，而传感器电阻加传输线电阻也可精确测出，因此也就获得一个精确的已知的电阻增量△Ro，以模拟由于压阻效应使传感器产生的电阻增量，若△Vo/△Ro接近预告值，则本实施例工作正常△Vo/△Ro值就是本仪器的系统灵敏度。

本发明测量压力（或压应力）的量程度，可达10MPa-1GPa，响应时间可小于1μs。因而可广泛地应用于石油、化工、汽车、矿业、兵器与航空航天等领域测量1MPa-1GPa间的动态压力（或压应力）。由于本发明采用电池组供电，使工频干扰降至最小;还因本发明的电路较简，元件较少，提高了仪器的可靠性，降低了成本，也便于野外使用。

Claims

1、一种锰铜压阻应力仪，包含有电桥测量电路、运算放大电器，其特征在于将外接的50Ω锰铜压阻传感器作为电桥测量电路的一个桥臂，并用特性阻抗为50Ω的同轴电缆连接到测量电路中，两个独立的充电电池组分别接到电桥测量电路和运算放大器等电路的电源端，充电电路则分别连向欲充电电池组。

2、根据权利要求1所述的锰铜压阻应力仪，其特征在于其电桥测量电路的一个桥臂电阻上并联了一个平衡调节电路，在50Ω锰铜压阻传感器的输出端并联了自检电路，在运算放大电路的输入电阻或反馈电阻上并联有增益调整电路，在运算放大电路的输出端有电桥平衡指示表。